文勝良，曹 波，趙鴻文

（1.中國電建集團(tuán)海外投資有限公司，北京市 100048；2.湖北長江工程設(shè)計(jì)有限公司，湖北省武漢市 430010）

1 項(xiàng)目概況和背景

南歐江一級水電站壩址位于老撾 13 號公路南歐江大橋上游約10km，距離南歐江和湄公河匯口約18km，為南歐江七個(gè)梯級開發(fā)中的最下游梯級。工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，電站校核洪水位311.01m，正常蓄水位 307.00m，死水位305.00m，有效庫容 0.22×108m3，具有日調(diào)節(jié)性能，最大壩高 52.5m，裝機(jī)容量 180MW（4×45MW）。樞紐建筑物主要由左岸非溢流壩段、11孔泄洪閘壩段、安裝間和發(fā)電廠房壩段、右岸非溢流壩段、進(jìn)水口上游攔沙坎等建筑物組成。

南歐江流域內(nèi)庫區(qū)兩岸植被茂密且人為活動(dòng)頻繁，當(dāng)?shù)鼐用窳?xí)慣于通過刀耕火種對山林進(jìn)行開荒，每年4月旱季即將結(jié)束、雨季來臨前，當(dāng)?shù)鼐用駮?huì)將大片的山林砍伐焚燒后進(jìn)行旱稻、橡膠或者柚木等作物的種植。每年5～10月份雨季時(shí)山洪的侵蝕導(dǎo)致河道產(chǎn)生大量的漂浮物，對電站運(yùn)行產(chǎn)生一定的不利影響，對庫區(qū)內(nèi)的漂浮物進(jìn)行有效的攔截和排漂管理，是確保電站長久、穩(wěn)定運(yùn)行的一項(xiàng)重要工作。

2 攔污漂的必要性和可行性分析

南歐江六級水電站大壩是復(fù)合土工膜面板軟巖堆石壩，安裝使用浮筒式浮橋攔污漂防止漂浮物對大壩上游的復(fù)核土工膜面板的破壞[1]。六級水電站庫容相對較大具有季調(diào)節(jié)功能，進(jìn)水口軸線方向與原河道水流方向近乎垂直，進(jìn)水口底板遠(yuǎn)高于原河床，進(jìn)水口高程以下河道起到了沉砂池的作用；正常蓄水位510.0m與死水位490.0m之間落差較大，因此漂浮物對于進(jìn)水口和發(fā)電系統(tǒng)的影響很小。攔污漂布置上與河道水流方向夾角小，起到了很好的導(dǎo)向作用，運(yùn)行實(shí)踐表明在雨季洪水期泄洪時(shí)能夠?qū)ζ∥镞M(jìn)行有效的排漂工作，減少壩前和進(jìn)水口前漂浮物的堆積和沉積，對柔性復(fù)合土工膜起到了良好的保護(hù)作用。

南歐江一級水電站為徑流式開發(fā)水電站，廠房形式為河床式廠房，庫容小，水位變幅小，發(fā)電水頭相對較低，采用貫流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，其機(jī)組形式?jīng)Q定了進(jìn)水口高程較低。由于防推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙考慮，利用進(jìn)水口上游二期橫向圍堰改造成攔沙坎，在攔沙坎和廠房進(jìn)水口前形成一個(gè)前池。一級水電站河床式廠房與泄洪建筑物相鄰布置，從流域內(nèi)其他同類已運(yùn)行電站了解可知，河流在汛期遭遇洪水，期間大量漂浮物隨洪水涌入河道，污染水質(zhì)，隨河道湍急的洪水下泄，漂浮物壅堵在箱涵進(jìn)口造成箱涵過流能力降低[2]。如果不對河流中漂浮物進(jìn)行攔截并通過泄洪閘向下游排放，在機(jī)組檢修、引用流量較小或者汛期不發(fā)電時(shí)，水流流速降低導(dǎo)致部分樹木等漂浮物與泥沙裹挾沉積在進(jìn)水口前池范圍內(nèi)，或產(chǎn)生堆積造成進(jìn)水口攔污柵堵塞，嚴(yán)重時(shí)可降低發(fā)電水頭和發(fā)電流量，甚至部分漂浮物通過攔污柵間隙進(jìn)入流道造成檢修閘門啟閉困難、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)或水輪機(jī)卡阻等不良影響，不僅會(huì)造成較大的電量損失，還給電站運(yùn)行帶來安全隱患；清污機(jī)只能清除攔污柵上的部分附著物，且再配合人工轉(zhuǎn)運(yùn)垃圾的工作量太大，也相應(yīng)增加了轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用。一級水電站位于流域七個(gè)梯級電站開發(fā)的最下游，入庫的漂（懸）浮物是最多的，結(jié)合南歐江六級水電站攔污漂的運(yùn)用，南歐江一級水電站河床式廠房進(jìn)水口上游修建攔污漂是很有必要且是可行的。

3 攔污漂的方案設(shè)計(jì)和實(shí)施

3.1 攔污漂設(shè)計(jì)目的

該項(xiàng)目攔污漂設(shè)計(jì)的主要目的是為了有效攔截上游南歐江流域人類活動(dòng)或者洪水、泥石流所帶入河道的枯草樹枝或生活垃圾。其布置應(yīng)盡可能避開高速水流區(qū)，工程正常發(fā)電時(shí)能人工清渣，或?qū)ι嫌纹∥镞M(jìn)行引導(dǎo)配合泄洪設(shè)施能夠進(jìn)行有效排漂，減少或者降低對廠房進(jìn)水口攔污柵的淤堵，減小發(fā)電水頭損失；在攔污漂受超標(biāo)洪水等不可抗力被破壞時(shí)，攔污漂繩索破斷后漂體及附屬設(shè)施對大壩、泄洪設(shè)施和廠房進(jìn)水口攔污柵不造成安全威脅。

3.2 攔污漂布置方案

南歐江一級水電站校核洪水位 311.01m，正常蓄水位307.00m（也即百年一遇P=1%設(shè)計(jì)洪水位），死水位 305.00m，日常運(yùn)行或者防洪度汛時(shí)水位變動(dòng)幅度小，為便于施工和運(yùn)行管理，將攔污漂兩錨固段設(shè)置為固定點(diǎn)，利用攔污漂主索的柔性和撓度隨著水位小幅波動(dòng)而調(diào)節(jié)。一端設(shè)置在右岸混凝土錨固墩上固定，一端設(shè)置在導(dǎo)沙墻上固定。右岸錨固墩擬布置在右岸13號公路側(cè)，因右岸13號公路是老撾北部最重要的交通要道，錨固段位置選擇除了滿足地質(zhì)條件要求，更要求保證施工期間不對道路交通造成影響，經(jīng)比選后選擇A點(diǎn)作為右岸錨固墩位置，上游凸起的土包還能在洪水期間保護(hù)錨固墩少受水流的沖擊。B點(diǎn)布置在導(dǎo)沙墻上，由于前期未考慮布置攔污漂，導(dǎo)沙墻未預(yù)埋鋼板且前端是弧形，因此B點(diǎn)布置在導(dǎo)沙墻的內(nèi)側(cè)，AB連線與壩軸線夾角約為45°，布置方案見圖1。

圖1 攔污漂平面布置示意圖（單位：m）Figure 1 Layout of floating debris trashrack（unit：m）

3.3 攔污漂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

南歐江一級水電站日常運(yùn)行中水位變動(dòng)幅度小，按照設(shè)計(jì)要求，攔污漂的設(shè)計(jì)使用年限為5年，到期或者損壞時(shí)更換相關(guān)配件或設(shè)施，考慮到其作為3級次要建筑物，從工程實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)合理性角度出發(fā)，按照百年一遇洪水（p=1%）條件下的荷載進(jìn)行計(jì)算是合理可行的，壩前水深H約為19m，根據(jù)樞紐布置圖估算水庫壩址直線吹程D取值為800m。

3.3.1 攔污漂力學(xué)計(jì)算

現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查表明，左岸公路邊坡是整體抗滑穩(wěn)定的?？紤]到攔污排結(jié)構(gòu)自重與浮力保持平衡，均無其他垂直方向的荷載，僅考慮水流、風(fēng)和浪等基本組合作用在攔污漂上所產(chǎn)生的拉力[6]。對于3級混凝土重力壩，正常蓄水位時(shí)設(shè)計(jì)風(fēng)速可采用多年平均最大風(fēng)速的1.5～2.0倍[5]，該項(xiàng)目壩前計(jì)算風(fēng)速va采用多年平均最大風(fēng)速4.6m/s的2倍考慮，即va=9.2m/s。

（1） 水流產(chǎn)生的作用力[3，6]。

式中：kw為水流阻力系數(shù)，取值1.80[3]；γw為水的重度，取值9.8kN/m3；g為重力加速度，9.8m/s2；vw為百年一遇洪水泄洪工況下壩前斷面平均水流速，計(jì)算約為vw=1.6m/s；hw為攔污漂及攔渣網(wǎng)入水深度，0.8m。代入公式（1）可得出垂直于壩軸線方向的水流作用力Pw=0.18kN。

（2） 風(fēng)的作用力[3，6]。

式中：ka為空氣阻力系數(shù)，取值1.90[3]；γa為空氣的重度，取值0.0127kN/m3；ha為攔污漂水面以上高度，0.35m。代入公式（2）可得單位長度上攔污漂上的風(fēng)的作用力Pa=0.11kN。

（3） 浪的作用力。

攔污漂為采用錨系柔性定位的漂浮結(jié)構(gòu)，對波浪沖擊具有很大的緩沖和消能作用，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜，波浪荷載及其作用效應(yīng)，一般需引入修正系數(shù)適當(dāng)簡化[5]。因該項(xiàng)目為內(nèi)陸峽谷水庫，可按官廳水庫公式[4，5]進(jìn)行計(jì)算波浪要素，從而計(jì)算波浪作用力。

當(dāng)H≥Lm/2 時(shí)[5，6]，

式中：h為波高，當(dāng)gD/v2=20～250時(shí)h為累計(jì)頻率5%的波高h(yuǎn)5%，當(dāng)gD/v2=250～1000時(shí)h為累計(jì)頻率10%的波高h(yuǎn)10%

[5]；h1%為累計(jì)頻率1%的計(jì)算波高，可通過h和文獻(xiàn)[5]中表1.3-3反推求得；Lm為波長；hz為波浪中心線至正常蓄水位的高差；η為考慮只有部分浪壓力作用在攔漂排上而引人的波浪壓力修正系數(shù)[3，6]，0≤η≤1，考慮到攔污漂作為3級次要建筑物以及受損或破斷后維修的便利性，η在該項(xiàng)目中取值0.3；其他參數(shù)同前。

將各參數(shù)代入上述公式可得h=0.25m，Lm=3.40m，h1%=0.31m，hz=0.09m，攔污漂單位長度上的浪作用力P=0.98kN。

（4） 攔污漂上作用力合計(jì)。

將水、風(fēng)、浪三個(gè)作用力簡化為均布荷載，可知攔污漂所受均布荷載如下：

將所計(jì)算的風(fēng)、水流、浪作用力代入公式（7）可得單位長度上攔污漂上所受的作用力q攔=0.18+0.11+0.98=1.27kN/m。

（5） 攔污漂主索軸線拉力。

索狀柔系結(jié)構(gòu)往往受到復(fù)雜的荷載作用具有不同的平衡形狀從而產(chǎn)生不同的張力分部規(guī)律[7]，攔污漂形態(tài)和軸向張力分布規(guī)律受水流、風(fēng)、波浪組合作用的影響非常明顯，應(yīng)用實(shí)例表明不同運(yùn)行工況呈現(xiàn)不同的形態(tài)，目前國內(nèi)攔污漂錨固端和漂體之間受力計(jì)算一般采用懸鏈線理論計(jì)算法和非線性迭代計(jì)算法，均通過一定假定條件建立計(jì)算模型。

攔污漂屬于柔性大位移結(jié)構(gòu)體系，許多工程按照懸鏈線理論對漂浮式攔漂排結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果在一定程度上不能反映真實(shí)張力的非均勻性[6]，但計(jì)算簡單實(shí)用。武漢大學(xué)針對非線性迭代方法開發(fā)的計(jì)算程序，根據(jù)虛功原理導(dǎo)出攔漂排平衡狀態(tài)的非線性方程組，采取迭代方法求得攔漂排軸線張拉形狀和張力的數(shù)值解，具有計(jì)算精度高、收斂性好的優(yōu)點(diǎn)，但邊界條件的設(shè)定較苛刻，計(jì)算過程較復(fù)雜[6]。受地形地貌影響，水流、風(fēng)、浪作用力機(jī)制非常復(fù)雜，需要通過模型和原型試驗(yàn)深入研究才能取證，本文從攔污漂設(shè)置的主要目的和工程應(yīng)用效果考慮，采用懸鏈線理論根據(jù)下列公式計(jì)算錨固端和攔污漂主索軸向受力情況[6]。

式中：L為攔污漂主索長度，225m；f為攔污漂主索矢高，15m；q為攔污漂所受的風(fēng)、水、浪壓力均布荷載，q=q攔=1.27kN/m，代入公式（8）可計(jì)算攔污漂主索產(chǎn)生的軸向拉力，也即錨固墩所受拉力F=536.94kN，約為53.7t，采用 1 根直徑φ32，單根破斷強(qiáng)度約 66t 的迪尼瑪繩作為主索。

3.3.2 右岸錨固墩A設(shè)計(jì)

右岸錨固墩建基面開挖至強(qiáng)風(fēng)化層，根據(jù)應(yīng)力計(jì)算確?；椎鼗休d力應(yīng)不小于150kPa，在建基面上鋪碎石，壓實(shí)形成泥結(jié)石層，然后及時(shí)澆筑混凝土墊層后采用混凝土澆筑，混凝土容重參照項(xiàng)目試驗(yàn)室數(shù)據(jù)取為24kN/m3，錨固墩體形設(shè)計(jì)為6m×4m×5m（長×寬×高）=120m3，底部高程為306.0m，頂部高程為311.0m，錨固點(diǎn)高程為310.0m，正常運(yùn)行水位時(shí)拉索下垂角度約30°。

結(jié)構(gòu)物的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks一般是以滑動(dòng)面上的抗滑力和滑動(dòng)力的比值來定義，即Ks=P抗/P滑，因錨固墩工程規(guī)模小，底基礎(chǔ)面水平，本文根據(jù)抗剪強(qiáng)度公式（摩擦公式）進(jìn)行計(jì)算。并計(jì)算錨固墩基底應(yīng)力和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，驗(yàn)算右岸錨固墩的整體穩(wěn)定性。

式中：Ks為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為抗剪摩擦系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值0.4；ΣG為錨固墩所受綜合向下的力；U為錨固墩所受綜合向上的力，主要是浮力；F為錨固墩所受綜合水平向作用力，按校核洪水極限工況下攔污漂主索破斷強(qiáng)度考慮，即F=660kN。將各參數(shù)代入公式（9）可得Ks=0.4×（120×24-120×10）/660=1.02＞1.0，滿足要求。

式中：σ為錨固墩基底應(yīng)力；ΣG為錨固墩所受綜合向下的力，主要是重力和攔污漂向下的分力，正常運(yùn)行水位時(shí)拉索下垂角度約30°，攔污漂向下分力系數(shù)取值sin30°；A為錨固墩基底面積；考慮最不利工況，即錨固墩應(yīng)不考慮水的浮力作用，將各參數(shù)代入公式（10）可得σ=（120×24+536.94×sin30°）/（6×4）=131.2kPa，綜合考慮錨固墩基礎(chǔ)承載力應(yīng)不小于150kPa。

式中：K0為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；L1為錨固墩所受綜合向下力的力矩，取值3.5m；L2為錨固墩所受綜合水平力的力矩，取值（310-306）/2=2m；按校核洪水極限工況下攔污漂主索破斷強(qiáng)度考慮，即F=660kN。將各參數(shù)代入公式（11）可得Ks=（120×24-120×10）×3.5/（660×2）=4.45＞1.5，滿足要求。

綜上所述，右岸錨固墩體形設(shè)計(jì)和布置方式滿足整體穩(wěn)定安全要求，另外基礎(chǔ)按照間距1m、入基深度為1m布置12根2m長的φ25螺紋鋼筋作為插筋，增強(qiáng)錨固墩的抗剪斷強(qiáng)度和整體抗滑穩(wěn)定能力。

3.3.3 壩體錨固端B點(diǎn)設(shè)計(jì)

B點(diǎn)布置在導(dǎo)沙墻上，由于前期未考慮布置攔污漂，導(dǎo)沙墻未預(yù)埋鋼板且前端是弧形，因此B點(diǎn)布置在導(dǎo)沙墻的內(nèi)側(cè)，金屬結(jié)構(gòu)支撐底座在工廠制作完成，其安裝需要在現(xiàn)有導(dǎo)沙墻混凝土面植入若干錨筋，且植筋時(shí)不應(yīng)打斷導(dǎo)沙墻結(jié)構(gòu)鋼筋，采用 A級膠錨固。

3.3.4 攔污漂漂體設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目攔污漂設(shè)計(jì)采用迪尼瑪繩作為主索+單浮筒+攔渣網(wǎng)的形式，攔渣網(wǎng)能增加水下的攔渣延展深度，能增加對漂浮物的攔截效率。

攔污漂的組成采用兩半式浮筒+攔渣網(wǎng)+平衡錘的形式，主索從中心穿過。浮筒材質(zhì)為超強(qiáng)滾塑聚乙烯材料，單體規(guī)格型號為直徑φ600mm，長度1m，兩半式；攔渣網(wǎng)采用φ6mm鋼筋網(wǎng)片，單片網(wǎng)尺寸2m×1m，孔徑160mm×160mm，通過兩半式浮筒夾緊固定，網(wǎng)片露出浮筒底部約550mm，網(wǎng)片可拆卸便于維護(hù)和更換；平衡錘直徑φ300mm，內(nèi)部填充混凝土，外包聚乙烯材料，每個(gè)浮筒配2個(gè)，通過掛繩系在主索上懸吊在網(wǎng)片下游側(cè)以確保攔渣網(wǎng)整體上處于垂直狀態(tài)。浮筒吃水深度約250mm，攔渣總深度約800mm。

3.4 應(yīng)用效果及評價(jià)

南歐江一級水電站自2019年11月中旬開始下閘蓄水，由于當(dāng)?shù)鼐用穹贌搅?、前期庫區(qū)清理、上游電站排漂形成大量漂浮物。運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，攔漂索上游側(cè)堆積較多漂浮物，而廠房進(jìn)水口與攔污漂之間的水域雜物很少，說明攔污漂的設(shè)計(jì)能夠?qū)ζ∥镞M(jìn)行有效攔截。由于受新冠疫情等不可抗力影響，目前機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電只有兩臺，進(jìn)度較計(jì)劃滯后，廠房引用流量較少，進(jìn)水口前水流速度較小，攔污漂前后的水流壓差小，在水流、普通風(fēng)浪的作用力下，隨風(fēng)浪起伏，形態(tài)呈現(xiàn)不同的張拉線形狀，攔漂索受力狀態(tài)穩(wěn)定良好，攔漂索和錨固段未見破壞。

進(jìn)入雨季后，電站從防洪度汛角度考慮庫水位降至死水位附近運(yùn)行，當(dāng)攔污漂及泄洪閘前的漂浮物堆積較多時(shí)，電站運(yùn)行人員根據(jù)指令適當(dāng)開啟靠近壩體錨固點(diǎn)的泄洪閘閘門排漂，在水流的帶動(dòng)作用下，大部分漂浮物隨著攔污漂的引導(dǎo)從廠房旁邊的泄洪閘排至下游，使得廠房進(jìn)水口與攔污漂之間的水域比較干凈，有效實(shí)現(xiàn)了對漂浮物的有效攔截和排漂導(dǎo)向目的，為機(jī)組運(yùn)行發(fā)電創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境。

4 結(jié)論

（1） 對于徑流式開發(fā)中的河床式廠房水電站，由于庫容小，汛期洪水?dāng)y帶的漂浮物常容易堵塞攔污柵，造成水頭降低甚至設(shè)備損壞；即使配置清污機(jī)，對于垃圾的清理工作量和費(fèi)用也非常大，攔污漂的投入能夠大大減少漂浮物的清理工作量，在進(jìn)水口上游設(shè)置攔污漂對漂浮物提前進(jìn)行攔截是很有必要且是可行的。

（2） 將攔污漂線路布置與水流方向的夾角較小為宜，對于排漂能夠起到良好的導(dǎo)向作用，電站運(yùn)行過程中應(yīng)加強(qiáng)上游漂浮物入庫監(jiān)控，適時(shí)開啟泄洪閘排漂，為電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造有利條件。

（3） 攔污漂受風(fēng)速作用下的風(fēng)浪作用力影響最大，在工程區(qū)氣象資料不充分的條件下，結(jié)構(gòu)計(jì)算可能需要配置高強(qiáng)度攔污漂主索和體形較大的錨固墩，考慮到攔污漂主要是攔截和導(dǎo)向作用，攔污漂繩索破斷后漂體及附屬設(shè)施對大壩、泄洪設(shè)施和廠房進(jìn)水口攔污柵不造成安全威脅，在投資可控、攔污漂運(yùn)行維護(hù)安全便利的前提下，綜合考慮主索強(qiáng)度和錨墩體形。